一、当前物质与暗物质的比例：基于多探针观测的精确约束

根据宇宙微波背景辐射（CMB）、重子声波振荡（BAO）、超新星测距（SN Ia）等多信使观测的综合分析（以普朗克卫星2018年最终数据为核心），普通物质（重子物质）约占宇宙总能量密度的4.9%（≈0.049，置信区间±0.1%），冷暗物质（CDM）约占26.8%（CDM≈0.268，置信区间±0.3%）。两者的直接比例约为 1:5.5（4.9% ÷ 26.8% ≈ 0.183）。

这一比例是当前宇宙（约138亿年）的瞬时快照，其成立依赖于标准六参数CDM模型（包含宇宙学常数、冷暗物质、哈勃常数等参数）。若采用扩展模型（如动态暗能量或非冷暗物质），参数可能有微小偏差（例如，若暗物质含热组分，CDM的上限会略降低）。

二、比例“不变”的深层机制：同步演化与动力学解耦

用户常误解“比例不变”为绝对恒定，但实际是两者能量密度随宇宙膨胀的演化速率完全一致，且无显著相互作用导致粒子数或能量转移，因此其相对比例得以长期保持。以下从物理机制、观测约束和历史演化三方面展开：

1. 能量密度的同步稀释：相同的“绝热膨胀”命运

普通物质与暗物质均属于非相对论性流体（粒子运动速度远低于光速），其能量密度随宇宙膨胀的演化规律严格一致：

- 普通物质（重子）：由质子、中子等粒子构成，粒子数在大爆炸后基本守恒（除大统一相变期间的拓扑缺陷产生外，可观测宇宙内的净重子数近似守恒）。因此，其能量密度随宇宙体积增大而稀释，与尺度因子 a 的三次方成反比（ \rho_b \propto 1/a^3 ）。

- 冷暗物质（CDM）：主流模型假设其为弱相互作用大质量粒子（WIMP）或不参与相互作用的稳定粒子（如轴子），粒子数同样守恒（无显著湮灭或产生）。因此，其能量密度同样遵循 \rho_{\text{CDM}} \propto 1/a^3 。

由于两者的能量密度均以相同的速率（ 1/a^3 ）随宇宙膨胀稀释，它们的相对比例（ \Omega_b/\Omega_{\text{CDM}} ）在演化过程中保持恒定。这种“同步稀释”本质上是两类物质具有相同本征压强（压强 p \approx 0 ）的非相对论性流体的共同特征，体现了宇宙膨胀对所有非相对论性组分的对称影响。

2. 无显著相互作用的实验证据：从微观到宏观的双重约束

普通物质与暗物质的相互作用极弱，无法通过电磁力、强核力或弱核力（除引力外）发生能量或粒子交换。这一特性由以下多维度观测共同支持：

- 微观尺度：直接探测实验：地下暗物质探测器（如XENONnT、LUX-ZEPLIN）通过寻找暗物质粒子与原子核的碰撞信号（核反冲），已将散射截面上限压低至 \sigma < 10^{-45} \, \text{cm}^2 （约为电磁相互作用的 10^{-38} 倍），排除了强自相互作用或与普通物质的频繁耦合。

- 宏观尺度：子弹星团观测：该星系团碰撞事件中，可见物质（热气体）因电磁相互作用受阻力偏离原方向，而暗物质晕仅通过引力作用保持原轨迹（通过引力透镜效应观测）。这一分离现象直接证明暗物质仅参与引力相互作用，无显著非引力耦合。

- 宇宙学尺度：CMB与大尺度结构：若暗物质与普通物质存在显著相互作用（如湮灭产生光子），会在宇宙微波背景辐射中留下特征信号（如额外光子背景），但普朗克卫星未探测到此类异常；同时，大尺度结构的形成速率与CDM模型预测一致，未因相互作用而偏离。

因此，普通物质与暗物质的粒子数和能量在宇宙演化中几乎独立，无显著转移或转化，确保了其比例的稳定性。

3. 早期宇宙的“比例锁定”：初始条件的化石记录

在宇宙早期（如大爆炸后约38万年，CMB形成时），普通物质与暗物质的能量密度已基本确定：

- 普通物质的总量：由大爆炸核合成（BBN）固定——轻元素（如氢、氦）的丰度直接反映了当时普通物质的密度（例如，氘的丰度与重子密度呈强相关性），观测到的轻元素比例与≈0.049高度一致。

- 暗物质的总量：由早期宇宙的引力不稳定性（如原初密度涨落）决定。暗物质因不参与电磁相互作用，可更早聚集形成引力势阱（比普通物质早约1亿年），吸引普通物质坍缩其中。两者的总量在早期宇宙中即形成固定比例（约1:5.5），而后续演化中因同步稀释，这一比例得以延续至今。

三、未来是否可能变化？前沿理论与观测的挑战

尽管当前比例稳定，未来若出现以下情况，物质与暗物质的比例可能被打破：

1. 暗物质衰变：未被证实的理论可能

部分超对称模型预言，最轻的超对称粒子（LSP，如中性微子）可能是暗物质候选者，且具有极长寿命（ \tau > 10^{27} \, \text{秒} ，远超宇宙年龄）。若此类粒子衰变，其能量可能转化为普通物质（如夸克、轻子）或辐射（如光子、中微子）。此时，暗物质总量减少，普通物质比例上升，导致比例变化。然而，费米伽马射线望远镜（Fermi-LAT）等实验长期未观测到此类衰变的特征信号，目前无证据支持暗物质衰变的存在。

2. 物质-暗物质耦合：新兴理论的探索

近年提出的“变色龙理论”（Chameleon Theory）假设存在一种极短程的第五种力，允许暗物质与普通物质在强引力场（如星系中心）中发生微弱相互作用。这类模型可解释“暗物质缺失”等异常现象，但尚未被实验验证（如Et-Wash实验对第五种力的限制）。若未来发现此类耦合，可能通过改变引力势阱的演化速率间接影响物质分布，但不会直接改变两者的能量密度比例（因两者均按 1/a^3 稀释）。

3. 修改引力理论：对“比例不变”的根本挑战

部分理论（如f(R)引力、标量-张量理论）通过修改爱因斯坦广义相对论的基本方程，试图在不引入暗物质的情况下解释星系旋转曲线等现象。若此类理论成立，暗物质的“存在性”将被重新定义，其与普通物质的比例也将失去原本文中的物理意义。然而，这类模型需同时解释CMB、BAO、引力透镜等多信使观测，目前尚未形成自洽的完整框架。

总结

当前宇宙中，普通物质与暗物质的比例约为1:5.5（4.9%:26.8%）。这一比例的稳定性本质上源于两类物质具有相同的空间几何稀释律（ \rho \propto a^{-3} ），且缺乏有效的能量交换通道。这种动力学解耦使得它们的相对丰度成为宇宙初始条件的“化石记录”——早期宇宙的核合成与大尺度结构形成过程，已在这一比例中烙下了不可磨灭的印记。

未来，随着下一代观测（如欧几里得卫星、LSST大视场巡天）对宇宙膨胀历史与大尺度结构的更精确测量，以及地下实验对暗物质性质的深入探索，我们有望进一步验证这一比例的稳定性，或发现颠覆性的新物理。宇宙的“物质拼图”仍有许多未解之谜，等待人类继续书写。